專利名稱：對置活塞對置氣缸自由活塞發動機的制作方法
技術領域：
本發明涉及自由活塞發動機，特別涉及具有對置活塞對置氣缸結構的自由活塞發動機。
背景技術：
照慣例，內燃機隨著機械固定的活塞的運動而運行。例如，傳統的機動車的內燃機包括機械地確定每個活塞在其各自的氣缸內的運動的曲軸與連接桿總成。這種類型的發動機之所以比較理想是因為對于發動機周期中的任何給定點，每個活塞的位置都是已知的，其簡化了發動機的時機和運行。雖然上述傳統類型的發動機近年來在效率上具有值得注意的重要進步，但是由于發動機的性質，其效率仍然受限制。特別是由于活塞機械地固定的運動固定了壓縮率，故動力密度受限制。此外，所有引導活塞移動的移動部件(以及凸輪軸和發動機閥)產生大量要用從發動機自身得到能量來克服的摩擦。最終得到的低動力密度意味著發動機要比需要的大且重。另外，因為必須制造的所有機械連接，發動機設計和包裝的靈活性受到限制。
因而，由于環境和其他原因，需要具有比上述傳統發動機的動力密度高的發動機。輕的相對重量，更小的包裝尺寸和提加的燃料效率等優點可能是車輛和固定動力生產應用的重要的優點。
另一種類型的內燃機是自由活塞發動機。這是一種氣缸內活塞的移動不是機械固定的發動機。該移動由在任何給定時刻作用于每個活塞上的力的平衡控制。由于動作不固定，發動機能夠具有可變的壓縮率，其在發動機運行參數的設計中允許更大的靈活性。另外，由于沒有導致活塞側力的傳統的曲軸和裝在曲軸上的桿，在發動機運行時產生的摩擦一般來說較少。然而，上述類型的發動機還沒有普遍應用，因為如采用自由活塞，而發動機運行的復雜性顯著加大。
在對付自由活塞發動機的復雜運行的嘗試中，有人將線性發電機與自由活塞發動機連接起來。這樣的安排允許發電機產生可存儲的電力，同時用發電機幫助控制自由活塞上力的平衡。然而，線性發電機在產生動力上不是顯著地有效——特別是與傳統的轉子發電機相比。
因此，需要一種內燃機，其能克服現有技術的發動機的缺點，提供一種低重量，高動力密度的發動機，可用于有效地產生用于許多不同的應用的能量。
發明內容
在其實施例中，本發明構思的發動機包括流體泵總成，具有第一側和與第一側相對的第二側，內流體泵室和外流體泵室，可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對低壓的流體的容器，以及可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對高壓的流體的的容器。在該發動機中，第一燃燒氣缸總成位于鄰近流體泵總成的第一側，包括確定以運動軸線為中心的第一發動機氣缸的第一氣缸套，第二燃燒氣缸總成位于鄰近流體泵總成的第二側，包括確定以運動軸線為中心的第二發動機氣缸的第二氣缸套。該發動機還包括內活塞總成，具有帶第一內活塞頭的第一內活塞和帶第二內活塞頭的第二內活塞，上述第一內活塞裝配于第一發動機氣缸，使得第一內活塞頭背對第一側，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二內活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二內活塞頭背對第二側，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括推桿，其具有固定于第一內活塞的第一端部，固定于第二內活塞的第二端部和穿過流體泵總成的內流體泵室延伸的中間部分。發動機包括外活塞總成，其具有帶有第一外活塞頭的第一外活塞和帶有第二外活塞頭的第二外活塞，上述第一外活塞裝配于第一發動機氣缸，使得第一外活塞頭朝向第一內活塞頭，第二外活塞裝配于第二發動機氣缸，使得第二外活塞頭朝向第二內活塞頭，，內活塞總成進一步包括第一拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的外流體泵室延伸的中間部分。
本發明一本發明的實施例還構思一種操作發動機的方法，包括以下步驟提供流體泵總成，其具有第一側和與第一側相對的第二側，內流體泵室和外流體泵室，可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對低壓的流體的第一容器，以及可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對高壓的流體的第二容器；提供鄰近流體泵總成的第一側的第一燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第一發動機氣缸的第一氣缸套；提供鄰近流體泵總成的第二側的第二燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第二發動機氣缸的第二氣缸套；提供內活塞總成，其具有帶第一內活塞頭的第一內活塞和帶第二內活塞頭的第二內活塞，上述第一內活塞裝配于第一發動機氣缸，使得第一內活塞頭背對第一側，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二內活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二內活塞頭背對第二側，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括推桿，其具有固定于第一內活塞的第一端部，固定于第二內活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的內流體泵室延伸的中間部分；提供外活塞總成，具有帶有第一外活塞頭的第一外活塞和帶有第二外活塞頭的第二外活塞，上述第一外活塞裝配于第一發動機氣缸，使得第一外活塞頭朝向第一內活塞頭，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二外活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二外活塞頭朝向第二內活塞頭，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括第一拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的外流體泵室延伸的中間部分；將燃料和空氣送進第一發動機氣缸；以及使第一內活塞和第一外活塞互相朝相方反向移動，直至在第一氣缸內發生燃料和空氣的自燃。
本發明一實施例的優點在于自由活塞發動機的對置活塞、對置氣缸(opposed piston，oposed cylinde，以下簡稱OPOC)的結構比自由活塞發動機的其他可能的結構有更好的固有平衡。
本發明一實施例的另一優點在于本發明的點火氣缸的燃燒能用于直接壓縮下一個氣缸的充量以點火。
本發明一實施例的另一優點在于本發明是OPOC結構的自由活塞發動機，具有較少的主要移動部件，在發動機運行中，要克服的全部摩擦一般來說要比曲軸發動機少。
本發明一實施例的另一優點在于從發動機中輸出的能量不僅作為加壓流體存儲，而且在運行中該流體可用于開啟或控制發動機的平衡。存儲于流體中的能量可用于給其他部件，例如，比如車輛的驅動輪，或者流體發電機提供能量。此外，可以并行使用多個OPOC自由活塞發動機，每一個都向能量存儲裝置提供加壓流體。
本發明一實施例的其他優點在于可變的壓縮率不僅對于均質充量燃燒點火(homogeneous charge，combustion ignition，以下簡稱HCCI)發動機運行更加有益，而且其也使得發動機控制策略適合于用于燃燒的大范圍的不同燃料。OPOC自由活塞發動機能夠達到HCCI燃燒需要的壓縮能量，而比曲軸發動機更容易除去早期點火產生的負周期工作。采用HCCI燃燒能夠制成比傳統的火花塞點火類型的發動機動力密度更高的發動機。
本發明一實施例還有一個優點在于由于其迅速改變方向的能力，OPOC發動機有效地產生液壓能量使零速度和輸出的時間極小化。此外，在每個周期的活塞總行程的運行速度的一半時，其產生液壓能量，因為每個泵室僅系于燃燒室活塞總成中的一個，因此僅通過發動機總行程的一半運行。當發動機的動力密度被允許的最大抽吸速度限制時，在發動機行程的的一半進行抽吸的能力是十分關鍵的。
圖1是根據本發明的帶液壓控制和輸出的對置活塞、對置氣缸、自由活塞發動機的透視圖。
圖2是圖1所示的發動機的端視圖。
圖3A和3B是圖1所示的發動機的俯視平面圖。
圖4A和4B是圖1所示的發動機的側視圖。
圖5A是發動機沿圖3A中的線5A-5A的剖面圖。
圖5B是發動機沿圖3B中的線5B-5B的剖面圖。
圖6A是發動機沿圖4A中的線6A-6A的剖面圖。
圖6B是發動機沿圖4B中的線6B-6B的剖面圖。
圖7是圖1所示的發動機的部分透視圖，更確切地，是液壓泵體總成和內活塞總成的頂端透視圖。
圖8是與圖7類似的透視圖，但表示液壓泵體總成和內活塞總成的底部。
圖9是圖1所示發動機的氣缸套的透視圖。
圖10是圖1所示發動機的液壓回路的示意圖。
圖11是圖1所示發動機所使用的一些電路的示意圖。
圖12是圖1所示發動機的一部分的透視圖，但表示另一實施例。
圖13是圖1所示發動機的一部分的剖面圖，但表示第二個可選實施例。
具體實施例方式
圖1-11表示對置活塞、對置氣缸、液壓自由活塞發動機10。該發動機10包括液壓泵體總成12，以及從該處延伸的第一活塞/氣缸總成14和從液壓泵體總成12反向延伸的第二活塞/氣缸總成16，這樣它們成排成一行。第一活塞/氣缸總成14的時機與第二活塞/氣缸總成16相反。因此，當一個在上止點時，另一個在下止點。此外，該運動是沿著或平行于單一的運動軸線。自由活塞發動機的上述結構能使發動機的固有平衡更好。
另外，以下的說明揭示了一種發動機，其不僅存儲由發動機以加壓流體的形式產生的能量，而且使用一些上述加壓流體以開啟，且有時幫助控制發動機的運行和維持發動機的平衡。
第一活塞/氣缸總成14包括裝配到液壓泵體總成12的第一缸套18。第一缸套18具有位置接近于液壓泵體總成12的第一排氣葉輪20。第一排氣葉輪20的內部確定了繞第一缸套18圓周延伸且朝第一排氣套24徑向向外的內排氣通道22。上述排氣套24用于連接排氣系統(圖中未示)以在發動機運行時向外排氣。只要足以處理且向帶走廢氣，上述排氣系統可以是任何需要的形式。其可以包括例如排氣管，消聲器，催化劑轉化器，渦輪增壓器，或者是上述組件和可能的其他組件的結合。
第一缸套18還具有冷卻劑入口26，其位置接近于液壓泵體總成12，并延伸至基本上圓周延伸的冷卻劑通道28。冷卻劑入口26連接冷卻劑冷卻系統(圖中未示)，其可以包括從發動機冷卻劑中除去熱量的例如散熱器的加熱交換器，通過冷卻系統抽吸冷卻劑的水泵，維持冷卻劑在需要的溫度范圍的溫度傳感器和流動控制閥，或者在上述總成之間延伸的冷卻管線，或在上述組件和其他可能的組件的結合。只要從發動機中消散合適量的熱量，冷卻系統可以是任何形式的發動機冷卻系統。
圓周延伸的進氣環面30在第一缸套18與排氣葉輪20的相對端，其內部確定了入口溝道31。第一缸套18在鄰近進氣環面30形成噴油嘴套32，其中裝配了第一噴油嘴34。第一噴油嘴34電連接至為確定噴油嘴開放的時機和持續時間提供信號的電子控制器35。第一噴油嘴34還連接從燃料系統39(僅在示意圖中示出)中提供燃料的噴油嘴油軌37。燃料系統39可以包括例如燃料箱，燃料泵或通向分油管的燃料管線，或上述組件和其他可能的組件的結合。任何可以在需要的壓力下向噴油嘴34提供足夠量的燃料的燃料系統總的說來都可接受。噴油嘴油軌37最好還包括電連接至控制器35的燃料壓力傳感器41。控制器35最好由帶有電池(圖中未示)、發電機或交流發電機的電氣系統提供電力，發電機或交流發電機最好由發動機10輸出的能量或其他一些足夠的電力供應源提供動力。同時，雖然控制器35在此被單獨地提到，但是如果需要的話，其可以包括多個互相連接的電子處理器。
在第一排氣葉輪20和進氣環面30的中間，第一缸套18形成壓力傳感器裝配套36，其中裝配有第一氣缸壓力傳感器38。第一氣缸壓力傳感器38最好電連接控制器35。第一氣缸壓力傳感器38是可選擇的，所以如果不在發動機中使用，也可以取消壓力傳感器裝配套36。噴油嘴套32和傳感器裝配套36穿過第一缸套18延伸至延伸第一缸套18的長度的主孔40。冷卻劑通道28，內排氣通道22和進氣環面30也都在主孔40內開口。
第一活塞/氣缸總成14還包括第一氣缸套42，其穿過第一缸套18的主孔40延伸并最好是合適地壓接于其內部。第一氣缸套42包括穿過其延伸以確定第一發動機氣缸44的柱狀主孔。第一發動機氣缸的中心軸線最好是沿著運動軸線。第一氣缸套42還包括一系列的圓周間隔的排氣口46，其在第一缸套18的第一發動機氣缸44和內排氣通道22之間延伸并連接它們。
在鄰近排氣口46處，第一氣缸套42鄰接第一缸套18內的冷卻劑通道28。上述冷卻劑通道28連接一系列間隔的螺旋肋48，其從第一氣缸套42徑向向外延伸并且鄰接第一缸套18的主孔40，形成一系列氣缸冷卻劑通道50。在上述肋48中，氣缸壓力塞套52從第一發動機氣缸44延伸至第一缸套18上的傳感器裝配套36。這使得第一氣缸壓力傳感器38暴露于第一發動機氣缸44，卻將傳感器38封閉，不接觸發動機冷卻劑。
噴油嘴孔54與噴油嘴套32成一行，且穿過肋48延伸至第一發動機氣缸44。這使得第一噴油嘴34能直接將燃料噴入第一發動機氣缸44。
第一氣缸套還有一系列圓周間隔的進氣口56，其與第一缸套18的進氣環面30成一行，并且在第一氣缸44內部開口。鄰近進氣口56的是一系列間隔的繞第一氣缸套42圓周分布的油霧孔58。
第一活塞/氣缸總成14還包括第一氣帶60。上述氣帶60裝配在第一氣缸套42附近，在進氣環面30處鄰接第一缸套18。燃料進口管62從第一氣帶60凸出并穿過其延伸，連接至油霧環面64。油霧環面64在燃料薄霧孔58的位置鄰接第一氣缸套42并繞其圓周延伸。為了向油霧環面64提供燃油，燃料供應系統(圖中未示)連接進油管62。燃油供應系統可以包括例如油箱，燃油泵，燃油過濾器，燃油冷卻器或者穿過系統運送燃油的燃油管線，或上述組件和其他可能的組件的結合。該燃油供應系統可以是任何這樣的可以與發動機總成配合以在發動機運行時充分地為其提供潤滑油的系統。
冷卻劑環面66還鄰接第一氣缸套42并繞其圓周延伸。冷卻劑環面66連接氣缸冷卻劑通道50和從第一氣帶60延伸的冷卻劑出口68。上述冷卻劑出口68連接前面討論的冷卻劑冷卻系統(圖中未示)。第一氣帶60還具有與第一缸套18的進氣環面30連接的一對拉桿通道70和一個進氣通道72。
第一活塞/氣缸總成14還具有第一掃氣泵74。掃氣泵74包括在第一氣帶60且繞第一氣缸套42端部裝配的掃氣泵外殼76。掃氣泵外殼76具有主泵室78，通往入口室82的進口80，和通往出口室86的出口84。主泵室78的形狀是橫截面基本上為橢圓的圓柱。
裝配于入口室82的是進口簧片閥總成88和掃氣泵進口蓋90。進口蓋90包括最好是連接進氣系統(圖中未示)的進氣口92。進氣系統可以包括例如最好從某些種類的渦輪增壓器或機械增壓器接收空氣的入口歧管，節流閥，空氣流量傳感器，周圍氣溫傳感器，或空氣過濾器，或者是上述組件和可能的其他組件的結合。，進氣系統可以是任何能根據具體的發動機運行情況，在所需的壓力下向進氣口92提供所需體積的空氣的系統。
入口簧片閥總成88中簧片閥94的方向使得空氣能從入口蓋90流入入口室82而防止空氣以相反方向流動。出口簧片閥總成89和掃氣泵出口蓋91裝配于出口室86。出口蓋91包括進氣通道93，其通過第一氣帶60中的進氣通道72從出口簧片閥總成89通向第一缸套18的進氣溝道31。出口簧片閥總成89中簧片閥95的方向使得空氣從出口室86流出至進氣通道93而防止空氣以相反方向流動。
第二活塞/氣缸總成114包括裝配于液壓泵體總成12的第二缸套118。第二缸套118包括位置鄰近于液壓泵體總成12的第二排氣葉輪120。第二排氣葉輪120的內部確定了繞第二缸套118圓周延伸且在第二排氣套124徑向向外延伸的內排氣通道122。上述排氣套124用于連接上面已簡要討論的排氣系統(圖中未示)。第二缸套118還有鄰近液壓泵體總成12并延伸入基本上圓周延伸的冷卻劑通道128的冷卻劑入口126。冷卻劑入口126連接冷卻劑冷卻系統(圖中未示)。
在第二缸套118與排氣葉輪120的相對端是圓周延伸的進氣環面130，其內部確定了入口溝道131。第二缸套118在鄰近進氣環面130形成噴油嘴套132，其中裝配了第二噴油嘴134。第二噴油嘴134電連接至為確定噴油嘴開放的時機和持續時間提供信號的電子控制器35。第二噴油嘴134還連接從燃料系統39中提供燃料的噴油嘴油軌37。燃料系統39可以包括例如燃料箱，燃料泵，通向燃料軌的燃料管線。噴油嘴油軌37最好還包括電連接至控制器35的燃料壓力傳感器141。
在第二排氣葉輪120和進氣環面130的中間，第二缸套118形成壓力傳感器裝配套136，其中裝配有第二氣缸壓力傳感器138。第二氣缸壓力傳感器138是可選擇的。噴油嘴套132和傳感器裝配套136穿過第二缸套118延伸至延伸第二缸套118的長度的主孔140。冷卻劑通道128，內排氣通道122和進氣環面130也都在主孔140內打開。
第二活塞/氣缸總成114還包括第二氣缸套142，其穿過第二缸套118的主孔140延伸并最好是合適地壓接于其內部。第二氣缸套142包括穿過確定了第二發動機氣缸144延伸的柱狀主孔。第二發動機氣缸144的中心軸線最好是沿著運動軸線。第二氣缸套142還包括一系列的間隔的圓周排氣口46，其在第二發動機氣缸144和第二缸套18的內排氣通道122之間延伸并連接它們。
在鄰近排氣口146處，第二氣缸套142鄰接第二缸套118內的冷卻劑通道128。上述冷卻劑通道128連接一系列間隔的螺旋肋148，其從第二氣缸套142軸向向外延伸并且鄰接第二缸套118的主孔140，形成一系列氣缸冷卻通道150。在上述肋148中，氣缸壓力塞套152從第二發動機氣缸144延伸至第二缸套118上的傳感器裝配套136。這使得第二氣缸壓力傳感器138暴露于第二發動機氣缸144，卻將傳感器138封閉，不接觸發動機冷卻劑。
噴油嘴孔與噴油嘴套132對準成一行，且穿過肋148延伸至第二發動機氣缸144。這使得第二噴油嘴134穿過并朝向第二發動機氣缸144和其噴油嘴延伸。
第二氣缸套142還有一系列圓周間隔的進氣口156，其與第二缸套118的進氣環面130對準成一行，并且在第二發動機氣缸144內部開口。鄰近進氣口156的是一系列間隔的繞第二氣缸套142圓周分布的油霧孔158。
第二活塞/氣缸總成114還包括第二氣帶160。上述氣帶160裝配在第二氣缸套142附近，在進氣環面130處鄰接第二缸套118。進油管162從第二氣帶160凸出并穿過其延伸，連接至油霧環面164。油霧環面164在油霧孔158的位置鄰接第二氣缸套142并繞其圓周延伸。為了向油霧環面164提供燃油，燃料供應系統(圖中未示)連接進油管162。
冷卻劑環面166還鄰接第二氣缸套142并繞其圓周延伸。冷卻劑環面166連接氣缸冷卻劑通道150和從第二氣帶160延伸的冷卻劑出口168。上述冷卻劑出口168連接前面討論的冷卻劑冷卻系統(圖中未示)。第二氣帶160還具有與第二缸套118的空氣進入環面130連接的一對拉桿通道170和進氣通道172。
第二活塞/氣缸總成114還具有第二掃氣泵174。掃氣泵174包括在第二氣帶160且繞第二氣缸套142端部裝配的掃氣泵外殼176。掃氣泵外殼176具有主泵室178，通往入口室182的進口180，和通往出口室186的出口184。主泵室178的形狀是橫截面基本為橢圓的圓柱。裝配于入口室182的是進口簧片閥總成188和掃氣泵入口蓋190。入口蓋190包括最好是連接進氣系統(圖中未示)的進氣口192，進氣系統最好從某些種類的渦輪增壓器或機械增壓器(圖中未示)接收空氣。入口簧片閥總成188中簧片閥194的方向使得空氣從入口蓋190流入入口室182而防止空氣以相反方向流動。
出口簧片閥總成189和掃氣泵出口蓋191裝配于出口室186。出口蓋191包括進氣通道193，其通過第二氣帶160中的進氣通道172從出口簧片閥總成189通向第二缸套118的進氣溝道131。出口簧片閥總成189中簧片閥195的方向使得空氣從出口室186流至進氣通道193而防止空氣以相反方向流動。
包含于兩個活塞/氣缸總成14和16的是兩個活塞總成——一個內活塞總成200和一個外活塞總成250。內活塞總成200有裝配于第一發動機氣缸44的第一內活塞202，第一內活塞202的頭210背對液壓泵體總成12，其底側211面向液壓泵體總成12。第一內活塞202在第一發動機氣缸44內部裝配，其外徑與第一發動機氣缸44的壁之間有小的余隙。因此，第一內活塞202最好還包括其外圍的三個環狀凹槽，其第一凹槽接收第一壓縮環204，第二凹槽接收第二壓縮環206，第三凹槽接收燃油控制環208。所有上述三個環204，206和208的大小都能夠封閉第一發動機氣缸44的壁。
第一內活塞202最好還包括一系列基本徑向延伸的孔212——從活塞202的底端211朝向活塞頭210。每個孔212最好部分填充鈉化合物且有封閉孔212內的鈉化合物的帽蓋214。
內活塞總成200進一步包括裝配于第二發動機氣缸144的第二內活塞220，第二內活塞220的活塞頭222背對液壓泵體總成12，其底端223面向液壓泵體總成12。第二內活塞220在第二發動機氣缸144內部裝配，其外圓周與第二發動機氣缸144的壁之間有小的余隙。因此，第二內活塞220最好還包括其外圍的三個環狀凹槽，其第一凹槽接收第一壓縮環224，第二凹槽接收第二壓縮環226，第三凹槽接收燃油控制環228。所有上述三個環224，226和228的大小能夠封閉第二發動機氣缸144的壁。
第二內活塞220最好還包括一系列基本上徑向延伸的孔230——從內活塞220的底端223朝向活塞頭222。每個孔230最好部分填充鈉化合物且有封閉孔230內的鈉化合物的帽蓋232。
第一內活塞202包括位于中央、并穿過中央徑向延伸的孔216，以接收緊固件218，而第二內活塞220也包括位于中央、并穿過中央徑向延伸的孔234，以接收緊固件236。緊固件218和236分別螺固于推桿240的各個端點，該推桿穿過液壓泵體總成12延伸。固定于每個內活塞202和220的推桿240使得兩個活塞202和220最好沿運動軸線一起運動。推桿240還包括形成內柱塞242的擴大的直徑區域。內柱塞242位于兩個活塞202和220中間。內柱塞242的用途將隨下面的液壓泵體總成12討論。
內泵體總成200最好還包括第一引導桿244和第二引導桿245，其中每個都穿過液壓泵體總成12延伸以在第一和第二內活塞202和220的底端表面211和223之間連接。引導桿244和245在發動機運行時保持內活塞總成200不旋轉。最好的是至少一個，更好是兩個引導桿244和245包括可以用以確定發動機運行時內活塞總成200的軸向位置的位置傳感器指標。上述指標可以通過繞第一引導桿244固定的第一組銅環246的形獲得。第二導引桿245最好也包括指標，例如第二組銅環247。那么第二引導桿245可以用作位置校準傳感器的一部分以保證第一引導桿244的位置傳感器正確讀取內活塞總成200的徑向位置。
外活塞總成250有裝配于第一發動機氣缸44內的第一外活塞252，第一外活塞252的活塞頭254面向第一內活塞202，其底端256面向第一掃氣泵主要室78。第一外活塞252在第一發動機氣缸44內部裝配，其外圓周與第一發動機氣缸44的壁之間有小的余隙。因此，第一外活塞252最好還包括其外圍的三個環狀凹槽，其第一凹槽接收第一壓縮環258，第二凹槽接收第二壓縮環260，第三凹槽接收燃油控制環262。所有上述三個環258，260和262的大小能夠封閉第一發動機氣缸44的壁。
第一活塞橋264裝配于第一外活塞252的底部256。第一活塞橋264與第一外活塞252一起運動且實質上形成為其的一部分。第一活塞橋264包括外部基本橢圓部分266，其滑行接觸并封閉第一掃氣泵74的主泵室78的壁。橢圓部分266的小徑最好稍小于第一外活塞252的活塞頭254的直徑，而橢圓部分266的大徑最好比活塞頭254的直徑大許多。第一拉桿套268和第二拉桿套269的位置是沿橢圓部分266的大徑的，朝第一外活塞252的外部直徑徑向向外。
引導柱套270位于第一活塞橋264的中心。第一引導柱271固定于第一掃氣泵外殼76并從該處延伸。第一引導柱271還在引導柱套270內伸縮滑動。在發動機運行時，引導柱套270在引導柱271上滑動，當第一外活塞252在第一發動機氣缸44內滑動時維持其適當的方位。
外活塞總成250還有裝配在第二發動機氣缸144內的第二外活塞275，其中第二外活塞275的活塞頭276面向第二內活塞的活塞頭222，其底部277面向第二掃氣泵主室178。第二外活塞275在第二發動機氣缸144內部裝配，其外圓周與第二發動機氣缸144的壁之間有小的余隙。因此，第二外活塞275最好還包括其外圍的三個環狀凹槽，其第一凹槽接收第一壓縮環278，第二凹槽接收第二壓縮環279，第三凹槽接收燃油控制環280。所有上述三個環278，279和280的大小能夠封閉第二發動機氣缸144的壁。
第二活塞橋282裝配于第二外活塞275的底部277。第二活塞橋282包括外部基本橢圓部分283，其滑行接觸第二掃氣泵174的主泵室178的壁并封閉它。橢圓部分283的小徑最好稍小于第二外活塞275的活塞頭276的直徑，而橢圓部分283的大徑最好比頭276的直徑大許多。第一拉桿套284和第二拉桿套285的位置是沿橢圓部分283的大徑的，朝第二外活塞275的外部直徑徑向向外。
引導柱套286位于第二活塞橋282的中心。第二引導柱287固定于第二掃氣泵外殼176并從該處延伸。第二引導柱287還在引導柱套286內伸縮滑動。在發動機運行時，引導柱套286在引導柱287上滑動，當第二外活塞275在第二發動機氣缸144內滑動時維持其適當的方位。
第二引導柱套287還形成部分位置傳感器總成288。位置傳感器總成288包括具有至少一個指標位置290的傳感器桿289，固定于第二外活塞275并可隨其滑動。傳感器291裝配于傳感器桿289并穿過第二掃氣泵外殼176延伸，其中電連接器292將傳感器291連接至電子控制器35。控制器35可以利用從傳感器291中的輸出來決定外活塞總成250的位置和速度。
外活塞總成250還包括第一拉桿293和第二拉桿294。第一拉桿293連接第一活塞橋264上的第一拉桿套268和第二活塞橋282上的第一拉桿套284。由于橋264和282都是橢圓的，第一拉桿293可以連接它們并使其平行于運動軸線的方向移動而不會防礙發動機氣缸的運行。
第一拉桿293包括形成第一外部柱塞295的擴大的直徑區域。第一外部柱塞295位于液壓泵體總成12的第一活塞橋264和第二活塞橋282中間。第一拉桿套管272在液壓泵體總成12和第一缸套18之間的第一拉桿293周圍延伸，第二拉桿套管273在液壓泵體總成12和第二缸套118之間的第一拉桿293周圍延伸。拉桿套管272和273確定第一拉桿293被發動機組件完全封裝，因此防止污染物接觸和防礙第一拉桿293的運行。
第二拉桿294連接第一活塞橋264的第二拉桿套269和第二活塞橋282的第二拉桿套285。第二拉桿294包括形成第二外部柱塞296的擴大的直徑區域。第二外部柱塞296位于液壓泵體總成12的第一活塞橋264和第二活塞橋282中間。第三拉桿套管274在液壓泵體總成12和第一缸套18之間的第二拉桿294周圍延伸，最好是位置感應拉桿套管281在液壓泵體總成12和第二缸套118之間的第二拉桿294周圍延伸。拉桿套管274和281確定第二拉桿294被發動機組件完全封裝，因此防止污染物接觸和防礙第二拉桿294的運行另外，第二拉桿294最好包括裝配于其上并位于位置感應拉桿套管281中的間隔銅環298。位置感應拉桿套管281最好包括位置緊密地接近銅環298的傳感器總成297。然后，傳感器總成297連接控制器35并檢測銅環的位置。于是，控制器35可以利用傳感器總成29的輸出來校準其他傳感器291，從而確保對外活塞總成250的位置和速度的正確測量。
為了確保最佳運行特性，發動機10最好是平衡的。為了讓發動機平衡，外活塞總成250的總數—即所有隨外活塞252和275運轉的部分——必須等于內活塞總成200的總數——即所有隨內活塞202和220運轉的的部分。對于平衡的發動機，推桿240的內柱塞242的液壓區域最好還等于拉桿292和294的外柱塞295和296的液壓區域之和——其中第一外柱塞295的液壓區域等于第二外柱塞296的液壓區域。因此，選擇活塞總成200和250的不同組件的材料以確保足夠的熱量和力量特性，但是還要平衡總成的質量。例如內活塞202和220，以及推桿240可以由鑄鐵制造，拉桿293和294也由鑄鐵制造，但是外活塞253和275由鋁制造，橢圓橋264和282由鋼制造。然而，如果需要的話，也可以使用其他合適的材料。
如上面所討論的，液壓泵體總成12裝配于第一活塞/氣缸總成14和第二活塞/氣缸總成16之間。其包括泵體302，最好由鋼制造，其中形成有多種液壓口和通道，冷卻劑通道和潤滑油箱和通道。
泵體302包括推桿240，推桿孔304穿過其延伸。內柱塞242圓周封閉推桿孔304。中間的孔304的兩端也由推桿240封閉——一個端部使用封閉塞子309來造成封閉。上述封閉在內柱塞242的一端形成內泵室306，而在內柱塞242的另一端形成內連接泵室308。
泵體302還包括第一拉桿孔310，第一拉桿293穿過其延伸，第二拉桿294穿過第二拉桿孔312延伸。第一外柱塞295圓周密封第一拉桿孔310，且第二外柱塞296圓周密封第二推桿孔312。第一拉桿孔310的形狀是在每一端都封閉第一拉桿293，其中一個密封端使用封閉塞311。連接第一拉桿293的拉桿孔310在第一外柱塞295的一側形成第一外泵室314，在第一外柱塞295的另一側形成第一外連接泵室316。第二拉桿孔312的形狀是在每一端都封閉第二拉桿294，其中一個封閉端又使用封閉塞313。連接第二拉桿294的第二拉桿孔312在第二外柱塞296的一側形成第二外泵室318，在第二外柱塞296的另一側形成第二外連接泵室320。
內連接泵室308和第一外連接泵室316都與第一交叉連接通道322連接。另外，內連接泵室308和第二外連接室320都與第二交叉連接通道323連接。從而，三個連接泵室308，316和320都總是互相開放流體連接。
低壓通道324和節流器326從第二交叉連接通道323通向第一連接調節閥328。第一連接調節閥328連接至液壓系統329的低壓油箱330側。允許流體從第二交叉連接通道323流向低壓油箱330的位置和阻塞上述流體流動的位置之間可以互相轉換。高壓通道332和節流器334從第一交叉連接通道322通向第二連接調節閥336。第二連接調節閥336連接至液壓系統329的高壓油箱338側。允許流體從第一交叉連接通道322流向高壓油箱338的位置和阻塞上述流體流動的位置之間可以互相轉換。第一和第二連接調節閥328和336電連接至電子控制器35并由其操作。
共鳴器通道340在第二交叉連接通道323和裝配于泵體302的赫姆霍茨共鳴器342。調節赫姆霍茨共鳴器342以抑制震動，其在流體穿過交叉連接通道322和323在連接泵室308、316和320之間來回流動時發生。如果需要的話，赫姆霍茨共鳴器342可以從發動機10中取消。
上述交叉連接通道322和323，以及連接它們的液壓組件形成液壓回路，其液壓連接內活塞總成200隨外活塞總成250的運轉。因為隨著連接調節閥328和336的關閉，連接泵室308，316和320，以及交叉連接通道322和323的容積充滿基本不可壓縮的液體(例如液壓油)，上述容積將保持不變。如上面指出的，推桿240的內柱塞242的大小可以移置流體體積(每次線性移動的量)的兩倍，分別如同推桿293和294的外柱塞295和296。因而，如果內活塞總成200向右移動1毫米，從內連接泵室308移置流體，而為了接收大量流體進入兩個外連接泵室316和320，外活塞總成250必須向左移動1毫米。這確保了盡管內活塞總成200和外活塞總成250的運動都不是機械確定的，但是事實上它們互相精確的反向運轉。因而，同時到達兩個活塞總成200和250上止點和下止點位置。
第一和第二連接調節閥328和336使得一旦任何封閉發生泄漏，保持于連接器中的流體體積發生變化時，可以在連接器中增加或移除一些流體。雖然說明的是為連接活塞總成200和250的該液壓系統，但是如果需要的話，可使用其他機械以確保活塞總成200和250朝另一個的反向運轉。
液壓泵體總成12還包括一對穿過泵體302朝向位于泵體302下方的油槽346延伸的燃料入口344和345。油槽346向泵體總成12的多種運轉組件開放，其目的是允許在運轉組件——特別是氣缸壁44和144中第一和第二內活塞202和220沿其滑動的部分飛濺潤滑油。油槽346還包括燃料返回出口348。燃料入口344和345，以及燃料返回出口348連接至燃料供應系統(圖中未示)。在發動機運行時，油槽346也允許在內活塞202和220互換時，空氣在內活塞202和220后面來回運轉。
兩個冷卻劑入口350裝配于泵體302的底部。冷卻劑入口350連接至一系列的穿過泵體302延伸的冷卻劑通道32，然后其連接至兩個裝配于泵體302的頂部的冷卻劑出口354。冷卻劑入口350和冷卻劑出口354連接至冷卻劑系統(圖中未示)。冷卻劑穿過泵體302流動以確保運轉部件在發動機運行時不會過熱。
液壓泵體總成12還包括裝配在泵體302頂部的低壓軌356，其包括穿過液壓管線連接至低壓油箱330的低壓軌口358。低壓軌356朝三組單向低壓止回閥，即內組360，第一外組362和第二外組363開放。內止回閥組360穿過通道364連接至內泵室306，其中閥組360只允許流體從低壓軌356朝向內泵室306流動。第一外部檢查組閥362穿過通道365連接至第一外泵室314，其中閥組362只允許流體從低壓軌356朝向第一外泵室314流動。第二外止回閥組363同樣穿過通道366連接至第二外泵室318，其中閥組363只允許流體從低壓軌356向第二外泵室318流動。雖然內止回閥組360包括四個獨立閥，每個外止回閥組362和363包括兩個閥，如果需要的話可以使用不同數量的獨立閥。但是由于內柱塞242有如同外柱塞295和296的任一個兩倍大的抽吸容量，內組360最好提供如同每個外閥組362和363兩倍大的閥開放區域。
高壓軌368裝配于泵體302的底部，并包括穿過液壓線連接至高壓油箱338的高壓軌口369。高壓軌368向三個單向高壓止回閥，內止回閥370，第一外止回閥371和第二外止回閥372開放。內止回閥370通過流體通道373連接至內泵室306，而止回閥370僅允許流體從內泵室306向高壓軌368流動。第一外止回閥371通過流體通道374連接至第一外泵室314，而止回閥371僅允許流體從第一外泵室314向高壓軌368流動。第二外止回閥372通過流體通道375連接至第二外泵室318，而止回閥372僅允許流體從第二外泵室318向高壓軌368流動。此外，內止回閥370最好具有兩倍于每個外止回閥371和372的開放區域。
低壓軌356最好包括在裝配于該處的測量低壓軌356內的流體壓力的壓力傳感器376。同樣，高壓軌368最好包括在裝配于該處的測量高壓軌368內的流體壓力的壓力傳感器377。壓力傳感器376和377電連接至接收和處理壓力信號的電子控制器35。
液壓開啟和控制閥379裝配于泵體302頂部，鄰近低壓軌356。上述液壓開啟和控制閥379僅在此示意性地表示，但是最好液壓閥，例如由紐約東奧羅拉的Moog公司制造的型號為35-196-4000-I-4PC-2-VIT的Moog液壓控制閥零件。控制閥379進入泵體302的四個口，高壓口380，低壓口381，內泵室口382和外泵室口383。高壓口380穿過流體通道連接至高壓軌368，低壓口381穿過流體通道連接至低壓軌356。內泵室口382穿過第一開啟/泄漏流體通道384連接至內泵室306，而外泵室口383穿過第二開啟/泄漏流體通道385連接至兩個外泵室314和318。
控制閥379可以液壓連接高壓口380和內泵室口382，而同時連接低壓口381和外泵室口383。控制閥379還可以液壓連接低壓口381和內泵室口382，同時連接高壓口380和外泵室口383。在第三種運行情況下，控制閥379將阻止液壓流體在高和低壓口380和381以及內和外泵室口382和383的流動。電子控制器最好控制控制閥379所在的運行狀態。
液壓泵體總成12還可以包括在活塞的每個行進端設置最大距離的活塞擋圈。由于活塞運動是由力的平衡確定，所以對于自由活塞發動機來說，需要的可能是上述擋圈而不是通路。內活塞總成200的活塞擋圈最好包括間隔推桿240的內柱塞242的任一側徑向階梯部分388，而匹配擋圈389位于泵體302和密封塞309的中心孔304的每一個端部。階梯部分388的擋圈389的位置將在任一方向確定內活塞總成200的最大行程。如果階梯部分388與擋圈389接合，在其方向的活塞運動將停止。
外活塞總成250的活塞擋圈最好包括分別在第一和第二拉桿293和294的外柱塞295和296的任一側部間隔的徑向階梯部分390和391。泵體302和封閉塞311和313，與內活塞總成200相似，將包括分別位于第一和第二拉桿孔310和312的相反端部的匹配擋圈392和393。
或者也可以取消活塞擋圈。采用上述結構，撞擊第一外活塞252的活塞頭254的第一內活塞202的活塞頭210將作為一個方向的擋圈，而撞擊第而外活塞275的活塞頭276的第二內活塞220的活塞頭222將作為另一個方向的擋圈。雖然這樣初看似乎不太好，但是活塞頭具有相對大的接觸表面區域，并且以活塞作為擋圈的氣缸內的壓力將在碰撞之前上升很高，從而降低撞擊時的速度。
液壓泵體總成12最好還包括一對活塞傳感器。第一位置傳感器395裝配于圍繞包括第一組銅環246的部分第一引導桿244的泵體302。第二位置傳感器396最好是裝配于圍繞包括第二組銅環247的部分第二引導桿245的泵體302。位置傳感器395和396電連接至電子控制器35并向其提供位置信號。由于第一位置傳感器395的傳感器信息，電子控制器35可以確定內活塞總成200的位置和速度。第二位置傳感器396的信息最好用于校準第一位置傳感器395。
現在對發動機10的運行進行說明。因為上述發動機10是自由活塞發動機，故由作用于活塞總成200和250的力的平衡(均衡)確定活塞運動。例如，主要力基本是對置發動機氣缸44和144的氣缸內壓力，各移動部分的摩擦力，氣體清除，移動的活塞總成200和250的惰性，以及柱塞242、295與296產生的充量。其結果是，為了引起持續的交互的活塞移動，活塞總成200和250的每一個都必須以合適的時間和量接收輸入力。上述交互的運動必須足以獲得燃燒過程所需的氣缸內44和144的壓縮。通過使用輸入可以控制活塞總成200和250，特別是在每次行程的接近進程末端，活塞上止點位置，從而控制壓縮率。而且，由于引起燃燒所需的壓縮率可以基于發動機運行情況改變，因此改變壓縮率的能力使得HCCI燃燒更加可行。因為必須精確地同步和控制力的平衡，電子控制器35監控并開動發動機組件，其對有效的和持續不變的發動機運轉很重要。
發動機開啟之前，液壓系統329的高壓油箱338在相對高壓下保留液壓流體，其可以是例如5000和6000磅每平方英寸。液壓系統329的低壓油箱330在相對低壓下保留液壓流體，其可以是例如50和60磅每平方英寸。
在發動機開啟過程的開始，電子控制器35給開啟和控制閥379上電，在向內泵體室口382開口的高壓口380和在向外泵體室口383開口的低壓口381的第一閥位置，以及在向外泵體室口383開口的高壓口380和在向內泵體室口382開口的低壓口381的第二閥位置之間交互。
在控制閥379的第一個閥的位置，高壓油箱338的流體將被推入內泵室306，因而其導致內柱塞242的推桿240和全部的內活塞總成200開始向右運動(如多個圖中所示)。這將導致內連接泵室308內的流體被推進以穿過第一和第二交叉連接通道322和323，以及第一和第二外連接泵室316和320。這將依次導致第一和第二拉桿293和294的第一和第二外柱塞295和296，以及全部的內活塞總成250開始向左移動(如多個圖中所示)。當外活塞總成250向左移動時，從第一和第二外泵室314和318將穿過控制閥379被推入低壓油箱330。
兩個活塞總成200和250的相對運動將導致第一外活塞252和第一內活塞202同時朝向它們在第一發動機氣缸44內的下止點位置分離移動，而第二外活塞275和第二內活塞220將與另一個同時朝向它們在第二發動機氣缸144內的上止點移動。活塞總成200和250沿一個單一的線性運動軸線來回移動。單一的運動軸線穿過兩個發動機氣缸44和144的中心延伸，其由顯示于圖10和圖11的發動機氣缸44和144的兩個箭頭表示。
在控制閥379的第二個閥的位置，高壓油箱338的流體將被推入第一和第二外泵室314和318，導致第一和第二拉桿293和294的第一和第二外柱塞295和296，以及全部外活塞總成250分別開始向右移動。這將導致第一和第二外連接泵室316和320的流體將穿過第一和第二交叉連接通道322和323被推入內連接泵室308。這將依次導致推桿240的內柱塞242，以及全部內活塞總成200將開始向左移動。當內活塞總成200向左移動時，內泵室306的流體將穿過控制閥379被推入低壓油箱330。
兩個活塞總成200和250的相對移動將導致第一外活塞252和第一內活塞202同時朝向它們在第一發動機氣缸44內的上止點位置運動，而第二外活塞275和第二內活塞220將與另一個同時朝向它們在第二發動機氣缸144內的上止點分離移動。
通過在上述開啟和控制閥379的三個閥位置之間精確和迅速地轉換，可以使得活塞總成200和250用以導致第一發動機氣缸44的壓縮和導致第二發動機氣缸144的壓縮之間的交替地轉換。電子控制器35通過檢測位置傳感器288和395來確定活塞總成200和250的位置和速度。然后為了引起發動機氣缸44和144所需要的壓縮率的量，控制器35使用位置和速度信息來確定開啟和控制閥379轉換的合適時機。從上述討論中可以看出，上述開啟和控制閥379在發動機開啟時控制活塞總成200和250的移動，其將引起發動機總成200和250以發動機運轉所需的方式移動。
發動機10作為兩個行程發動機運行，而不需任何單獨的閥系統以開放和關閉發動機氣缸44和144的進氣和排氣口。因此，燃料/空氣混合物的壓縮，燃燒(包括點火)，膨脹和氣體交換(包括進氣和排氣)越過活塞的兩次行程完成。上述安排使得移動部分最小化，也使得發動機10的全部包裝尺寸最小化。
內活塞總成200的移動導致內活塞202和220可選擇地阻塞并分別開放排氣口46和146朝向發動機氣缸44和144。外活塞總成250的移動導致外活塞252和275可選擇地阻塞并分別開放進氣口56和156朝向發動機氣缸44和144，也導致活塞橋264和282裝滿進入的空氣。外活塞總成250的移動還導致外活塞252和275可選擇地阻塞并分別暴露噴油嘴34和134朝向發動機氣缸44和144。因而，由開啟和控制閥379引起的內、外活塞總成200和250的運動提供了發動機氣缸44和144內充量空氣所需要的移動，允許供應燃料進入氣缸以混合充量空氣，并提供足以產生燃燒的壓縮。
在正常運行情況下的燃燒過程最好是均勻的充量，壓縮點火(HCCI)類型，其充分利用上述發動機10可變的壓縮率性能實現燃燒的高效率。該HCCI過程使用均勻的空氣/燃料充量混合物，其由于高壓縮率而自動點火；即每個混合的燃料/空氣充量都是加熱到自動點火(也稱為自燃)點的壓縮。隨著由HCCI過程導致的自動點火，遍及燃料/空氣混合物的無數點火點確保迅速燃燒，因為不需火焰傳播，故其考慮到使用低等同比(實際燃料—空氣比與計量比的比)。上述結果增加熱量效率而減少最高的氣缸溫度，相對于更加傳統的類型的內燃機，氮氧化物的形成顯著地減少。
下面對在正常的HCCI發動機運行中，第一發動機氣缸44(同樣應用于第二發動機氣缸144)的進氣，壓縮，燃燒和排氣事件進行更加具體的說明。第一外活塞252的移動充入空氣，并確定進氣口56和第一噴油嘴34向第一發動機氣缸44開啟的時機和持續時間。當第一外活塞252朝向其上止點位置移動時，第一掃氣泵74的主泵室78的體積增加，導致空氣被穿過入口簧片閥94吸入。
在上止點中心之后——典型的在燃燒事件之后——第一外活塞252的移動減少了主泵室78的體積，導致空氣穿過出口簧片閥95被壓縮并通過出口簧片閥78推出，進入進氣通道93和72以及進氣溝道31。當第一外活塞繼續朝其下止點位置移動時，其將暴露進氣口56，允許壓縮空氣從進氣溝道31流入第一發動機氣缸44。此時，第一噴油嘴34也暴露于第一發動機氣缸44。控制器35將激活第一噴油嘴34，導致燃料被噴入引入空氣充量。為了確定噴油嘴激活的時機和持續時間，控制器35使用外活塞位置傳感器291，以及燃料壓力傳感器41。
在到達下止點之后，第一外活塞252又朝上止點位置移動。在上述移動中，第一外活塞252將關閉第一發動機氣缸44的進氣口56和噴油嘴孔54。當第一外活塞252繼續朝上止點位置移動時壓縮空氣/燃料充量。應當知道第一噴油嘴34直接噴入第一發動機氣缸44，但是由于當活塞252在或臨近上止點時被第一外活塞252封閉，其不直接暴露燃燒。
第一內活塞202的移動確定排氣口46朝第一發動機氣缸44開放的時機和持續時間。當第一內活塞202遠離上止點移動時——典型的在燃燒事件發生后——活塞202將移動越過排氣口46，允許廢氣流過排氣口46。廢氣將流過第一排氣葉輪20并穿過其余排氣系統(圖中未示)流出。在下止點之后，第一內活塞202朝上止點移動，且該行程穿過路徑的一部分將封閉排氣口46，有效地關閉它們。任何在此時流過排氣口46的廢氣將再下一個燃燒期間作為內部廢氣再循環(EGR)保持在氣缸44中。當第一內活塞202繼續朝上止點移動時，壓縮空氣/燃料充量。
因為第二發動機氣缸144的運行與第一發動機氣缸相反，第一發動機氣缸44的燃燒時間將導致第一內、外活塞202和252被推動分離，而第二發動機氣缸144將導致第一內、外活塞202和252朝向另一個移動(導致第一氣缸44內的壓縮)，因而繼續使發動機運行循環持續。然后，發動機10的自主持續運行由每個燃燒時間之前，考慮發動機10當時的各種運行情況，控制噴油嘴來維持。噴油嘴控制可用于控制活塞行程的長度，其必須足以獲得燃燒所需的壓縮率，而避免活塞擋圈的碰撞。當然，為了允許瞬時情況，偶然不燃燒時間，系統不平衡和其他因素，有時可以使用開啟和控制閥379，以結合燃料控制來糾正活塞運動。為了避免浪費的燃燒能量改變活塞總成200和250的運動方向，其包括不僅確保為達到給定的發動機運行情況的合適的壓縮率，也確保在上止點或之后發生自動點火。
在正常發動機運行中，當燃燒事件導致活塞總成200和250互換時，推桿240和拉桿293和294將在柱塞242，295和296各自的孔304，310和312被來回驅動。當內活塞總成200向右(如圖中所示)移動時，內柱塞的移動將導致低壓止回閥360的內組開放，允許流體從低壓軌356被汲取入內泵室306。從低壓油箱330中補充離開低壓軌356的流體。維持在低壓軌356內的流體數量和低壓油箱330重新填充低壓軌356的能力必須足以保持流體流過低壓止回閥組。否則可能發生氣穴現象的問題。
同時，外活塞總成250向左移動，外柱塞295和296導致在第一和第二外泵室314和318中的流體穿過第一和第二外高壓止回閥371和372被抽入高壓軌368。其將流體置換入高壓油箱338。然后，在高壓油箱338的壓力下的流體也可用作發動機，以及其他組件和系統運行的儲備能源。因為可用的液壓流體能量是液壓流體流動的壓力水平和數量的函數，因此，在初始時確定了發動機大小時，可以在判定活塞行程，活塞頻率和/或液壓流體柱塞的大小時使用所需的能量輸出。對于活塞頻率，一般來說，移動活塞總成的質量越大，發動機的最佳運行頻率越低。
在導致內活塞總成200朝右移動的活塞行程中，內柱塞242從內連接泵室306中將流體抽入兩個外交換泵室316和320。如上面討論的，這使得上述兩個活塞總成200和250維持與對方反向的運動。如果位置傳感器288和39探測到兩個活塞總成200和250漂移出中心，則可以激活一個交換調節閥328和336以改正偏移量。
在隨后的發動機行程中，內活塞總成200向左移動，由內柱塞242產生的液壓將開放內高壓止回閥370，促使流體向高壓軌368和高壓油箱338流動。外活塞總成250同時向右移動，外柱塞295和296導致將流體從低壓軌356汲取出第一和第二外低壓止回閥組362和363。在該發動機行程中，外柱塞295和296還將流體從外連接泵室316和320抽入內連接泵室306。
因而，由于內活塞總成200和外活塞總成250總是朝對方反向移動——因此內柱塞242總是朝兩個外柱塞295和296反向移動——每個發動機的行程僅提供給任一內柱塞242或外柱塞295和296以將流體抽吸入高壓油箱338。每種情形的反向行程方向將在交換系統周圍抽吸流體。另一方面，如果要得到使內和外柱塞242，295和296從兩個方向高壓油箱的抽吸動作，應該使用不同類型的連接系統。
除了發動機內部子系統的運行，當然，由于需要維持發動機10的運行，外部系統還將在發動機運行時起作用。因此，為了確保發動機組件不會過熱，冷卻系統將穿過需要的冷卻劑通道28，50，66，128，150，166和352吸入冷卻劑。燃料系統39還將在所需的壓力下存儲和向噴油嘴34和134提供燃料。電力系統將為控制器35，傳感器和其他要求電力來運行的組件提供電力。油料供應系統將向發動機提供需要的潤滑油，來為確定組件的提供潤滑。而且，進氣系統將在發動機運行時向其他進氣口92和192提供需要的空氣。
圖12表示本發明另一實施例。在該實施例中，除了缸套410包括將火花塞414裝配于其中的火花塞裝配套412之外，發動機408與第一實施例基本相同。氣缸套(圖中未示)包括與火花塞裝配套412排成一行的溝道，因此允許火花塞414突出進入氣缸。火花塞414最好位于活塞和從壓力傳感器38圓周間隔之間的氣缸中部。火花塞414的突出端部連接電子點火系統(圖中未示)，其最好由控制器35控制(圖中未示)。對于該實施例，兩個對置氣缸包括上述火花塞排列。
發動機408以與第一實施例的發動機相似的方運行。雖然增加了火花塞414在一定程度上增加了發動機的成本和復雜性，但是其允許在開啟和運行發動機408時增加一些靈活性。在發動機開啟時，如果氣缸內的壓縮率不足以使HCCI燃燒，則為了導致燃燒事件發生，火花塞414可以在或接近每個氣缸的上止點激活。然后，發動機正常運行時，發動機408可以隨著HCCI燃燒而運行。此外，如果在正常HCCI發動機運行時不發生燃燒事件，則為了避免氣缸內未燃燃料的內建和未燃燃料被推入排氣系統的，可以使用火花觸發后燃燒事件。或者，如果該發動機的運行不需要HCCI燃燒，發動機408可以在正常的運行狀態下讓所有燃燒事件火花點火運行。
圖13表示本發明第二個可選擇的實施例。該實施例是發動機418，其與圖12所示的另一實施例類似，但是表示了使用預熱塞420(示意性表示)而非火花塞。缸套422包括將預熱塞420裝配于其中的預熱塞裝配套424。預熱塞420穿過氣缸套的孔426延伸，使其暴露于發動機氣缸430。此外，其最好位于活塞之間的氣缸中部，并從壓力傳感器38圓周間隔，而預熱塞420的突出端部連接最好是由控制器35控制的電子點火系統(圖中未示)。該運行與圖12有關的描述類似，故不在此進一步討論。
盡管披露了為能量存儲媒質和控制閥使用的流體是液壓油，如果需要的話，其他合適的流體也可以使用。例如，該流體可以是氣體，加上油箱用的風能存儲系統。該流體可以是液態或氣態的制冷劑。在上述實施例中，因為流體不再是液體(一般來說不可壓縮)，所以確保兩個活塞總成的相對運動所用的連接系統也要改變。然而，OPOC自由活塞發動機，特別是使用HCCI燃燒的結構的這類發動機，仍然可以用于產生存儲于流體能量存儲系統的能量。
前面已詳細描述了本發明的一些實施例，本發明所屬技術領域的技術人員將知道實施如權利要求所限定的本發明的多種可選擇的設計和實施例。
權利要求
1.一種發動機，其特征是包括流體泵總成，具有第一側和與第一側相對的第二側，內流體泵室和外流體泵室，可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對低壓的流體的第一容器，以及可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對高壓的流體的第二容器；鄰近流體泵總成的第一側的第一燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第一發動機氣缸的第一氣缸套；鄰近流體泵總成的第二側的第二燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第二發動機氣缸的第二氣缸套；內活塞總成具有帶第一內活塞頭的第一內活塞和帶第二內活塞頭的第二內活塞，上述第一內活塞裝配于第一發動機氣缸使得第一內活塞頭背對第一側，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮的滑動，第二內活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二內活塞頭背對第二側，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括推桿，其具有固定于第一內活塞的第一端部，固定于第二內活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的內流體泵室延伸的中間部分；以及外活塞總成，具有帶有第一外活塞頭的第一外活塞和帶有第二外活塞頭的第二外活塞，上述第一外活塞裝配于第一發動機氣缸使得第一外活塞頭朝向第一內活塞頭，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二外活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二外活塞頭朝向第二內活塞頭，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括第一拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的外流體泵室延伸的中間部分。
2.根據權利要求1所述的發動機，其特征是流體泵總成進一步包括可選擇地連接上述第一容器和上述第二容器的第二外流體泵室，其中外活塞總成進一步包括與第一拉桿間隔的第二拉桿，并具有固定于第一外活塞的第一端部和固定于第二外活塞的第二端部，以及穿過第二外流體泵室延伸的中間部分。
3.根據權利要求2所述的發動機，其特征是內活塞總成具有確定的質量，外活塞總成具有等于內活塞總成質量的確定質量。
4.根據權利要求3所述的發動機，其特征是推桿中間部分形成了內柱塞，其容納于內流體泵室并在其中可伸縮移動并導致內泵室中流體的抽吸動作，拉桿的中間部分形成第一外柱塞，其容納于外流體泵室并在其中可伸縮移動以導致外泵室中流體的抽吸動作，以及第二拉桿的中間部分形成第一外柱塞，其容納于第二外流體泵室并在其中可伸縮移動以導致外泵室中流體的抽吸動作。
5.根據權利要求4所述的發動機，其特征是流體泵總成進一步包括裝配于第一容器和內流體泵室之間的內低壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第一容器流向內流體泵室，裝配于第一容器和外流體泵室之間的外低壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第一容器流向外流體泵室，以及裝配于第一容器和第二外流體泵室之間的第二外低壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第一容器流向第二外流體泵室。
6.根據權利要求5所述的發動機，其特征是流體泵總成進一步包括裝配于第二容器和內流體泵室之間的內高壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從內流體泵室流向第二容器，裝配于第二容器和外流體泵室之間的第一外高壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從外流體泵室流向第二容器，以及裝配于第二容器和第二外流體泵室之間的第二外高壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第二外流體泵室流向第二容器。
7.根據權利要求6所述的發動機，其特征是內柱塞可與第一內流體泵室接合以產生內流體抽吸能力，第一外柱塞可與外流體泵室結合以產生第一外流體抽吸能力，以及第二外柱塞可與第二外流體泵室接合以產生第二外流體抽吸能力，其中，第一外流體抽吸能力和第二外流體抽吸能力的總和與內流體抽吸能力基本相等。
8.根據權利要求2所述的發動機，其特征是推桿中間部分可與第一內流體泵室接合以產生內流體抽吸能力，第一拉桿中間部分可與外流體泵室接合以產生第一外流體抽吸能力，以及第二拉桿可與第二外流體泵室接合以產生第二外流體抽吸能力，其中，第一外流體抽吸能力和第二外流體抽吸能力的總和與內流體抽吸能力基本相等。
9.根據權利要求2所述的發動機，其特征是進一步包括流體控制閥，其具有與第一容器流體連接的第一端口，與第二容器流體連接的第二端口，與內流體泵室流體連接的第三端口，和與外流體泵室和第二外流體泵室流體連接的第四端口，其中流體控制閥用來選擇將第一端口與第三端口和第四端口中的一個連接，而將第二端口與第三端口和第四端口剩下的一個連接，并選擇將第一端口和第二端口從第三端口和第四端口分離。
10.根據權利要求1所述的發動機，其特征是流體是液體。
11.根據權利要求10所述的發動機，其特征是液體是液壓油。
12.根據權利要求10所述的發動機，其特征是進一步包括流體控制閥，其具有與第一容器流體連接的第一端口，與第二容器流體連接的第二端口，與內流體泵室流體連接的第三端口，和與外流體泵室和第二外流體泵室流體連接的第四端口，其中流體控制閥用來選擇將第一端口與第三端口和第四端口中的一個連接，而將第二端口與第三端口和第四端口剩下的一個連接，并選擇將第一端口和第二端口從第三端口和第四端口分離。
13.根據權利要求1所述的發動機，其特征是進一步包括從第一氣缸套延伸入第一發動機氣缸的第一火花塞和從第二氣缸套延伸入第二發動機氣缸的第二火花塞。
14.根據權利要求1所述的發動機，其特征是進一步包括從第一氣缸套延伸入第一發動機氣缸的第一預熱塞和從第二氣缸套延伸入第二發動機氣缸的第二預熱塞。
15.根據權利要求1所述的發動機，其特征是流體泵總成進一步包括裝配于第一容器和內流體泵室之間的內低壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第一容器流向內流體泵室，裝配于第二容器和內流體泵室之間的內高壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從內流體泵室流向第二容器，其中推桿的中間部分形成內柱塞，其包含于內流體泵室并在其中可伸縮移動，以導致在內泵室的抽吸流體動作。
16.根據權利要求15所述的發動機，其特征是流體泵總成進一步包括裝配于第一容器和外流體泵室之間的外低壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從第一容器流向外流體泵室，裝配于第二容器和外流體泵室之間的外高壓單向閥，其使得流體能夠僅選擇從外流體泵室流向第二容器，其中推桿的中間部分形成內柱塞，其包含于外流體泵室并在其中可伸縮移動，以導致在內泵室的抽吸流體動作。
17.根據權利要求1所述的發動機，其特征是第一容器包括流體連接低壓軌的低壓油箱，第二容器包括流體連接高壓軌的高壓油箱。
18.一種發動機，其特征是包括液壓液體泵總成，具有第一側和與第一側相對的第二側，內液體泵室和外液體泵室，和第二外液體泵室，可選擇地與內流體泵室、外流體泵室和第二外部流體泵室流體連通的、容納相對低壓的流體的第一容器，以及可選擇地與內流體泵室、外部液體泵室和第二外部液體泵室流體連通的、容納相對高壓的流體的第二容器；第一燃燒氣缸總成鄰近液壓液體泵總成的第一側，包括確定以運動軸線為中心的第一發動機氣缸的第一氣缸套；第二燃燒氣缸總成鄰近液壓液體泵總成的第二側，包括確定以運動軸線為中心的第二發動機氣缸的第二氣缸套；內活塞總成具有第一內活塞和第二內活塞，上述第一內活塞裝配于第一發動機氣缸并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二內活塞裝配于第二發動機氣缸并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括推桿，其具有固定于第一內活塞的第一端部，固定于第二內活塞的第二端部和穿過液壓液體抽吸總成內的內液體泵室延伸的中間部分；以及外活塞總成具有第一外活塞和第二外活塞，上述第一外活塞裝配于第一發動機氣缸并在第一發動機氣缸內可伸縮的滑動，第二外活塞裝配于第二發動機氣缸并在第二發動機氣缸內可伸縮地滑動，外活塞總成進一步包括第一拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過液壓液體抽吸總成內的外液體泵室延伸的中間部分，以及與第一拉桿間隔的第二拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過第二外液體泵室延伸的中間部分。
19.根據權利要求18所述的發動機，其特征是進一步包括液壓液體控制閥，其具有與第一容器流體連接的第一端口，與第二容器流體連接的第二端口，與內液體泵室流體連接的第三端口，和與外液體泵室和第二外液體泵室流體連接的第四端口，其中可運行液壓液體控制閥來選擇將第一端口與第三端口和第四端口中的一個連接，而將第二端口與第三端口和第四端口中剩下的一個連接，并選擇將第一端口和第二端口從第三端口和第四端口分離。
20.一種運行發動機的方法，包括以下步驟提供流體泵總成，其具有第一側和與第一側相對的第二側，內流體泵室和外流體泵室，可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對低壓的流體的第一容器，以及可選擇地與內流體泵室和外流體泵室流體連通的、容納相對高壓的流體的第二容器；提供鄰近流體泵總成的第一側的第一燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第一發動機氣缸的第一氣缸套；提供鄰近流體泵總成的第二側的第二燃燒氣缸總成，包括確定以運動軸線為中心的第二發動機氣缸的第二氣缸套；提供內活塞總成，其具有帶第一內活塞頭的第一內活塞和帶第二內活塞頭的第二內活塞，上述第一內活塞裝配于第一發動機氣缸使得第一內活塞頭背對第一側，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，第二內活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二內活塞頭背對第二側，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮地滑動，內活塞總成進一步包括推桿，其具有固定于第一內活塞的第一端部，固定于第二內活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的內流體泵室延伸的中間部分；提供外活塞總成，具有帶有第一外活塞頭的第一外活塞和帶有第二外活塞頭的第二外活塞，上述第一外活塞裝配于第一發動機氣缸使得第一外活塞頭朝向第一內活塞頭，并在第一發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮的滑動，第二外活塞裝配于第二發動機氣缸使得第二外活塞頭朝向第二內活塞頭，并在第二發動機氣缸內沿運動軸線可伸縮的滑動，內活塞總成進一步包括第一拉桿，其具有固定于第一外活塞的第一端部，固定于第二外活塞的第二端部和穿過流體泵總成內的外流體泵室延伸的中間部分；將燃料和空氣移入第一發動機氣缸；以及將第一內活塞和第一外活塞背向對方移動，直至在第一氣缸內發生燃料和空氣的自燃。
全文摘要
自由活塞由一對位于流體泵總成相對側的對置發動機氣缸構成。內活塞總成包括一對內活塞，分別可操作地位于各自的發動機氣缸內，由推桿在內活塞之間連接。推桿穿過流體泵總成的內泵室延伸，并在該室中形成流體柱塞。外活塞總成包括一對外活塞，分別可操作地位于各自的發動機氣缸內，由至少一個拉桿在外活塞之間連接。拉桿穿過流體泵總成的外泵室延伸，并在該室中形成流體柱塞。
文檔編號B60K1/00GK1957179SQ200580016250
公開日2007年5月2日 申請日期2005年5月19日 優先權日2004年5月25日
發明者彼得·霍夫鮑爾 申請人:福特全球技術公司